CN2570262Y - 一种分离曝气两用型膜－生物反应器污水处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种分离曝气两用型膜－生物反应器污水处理装置，涉及一种利用膜－生物反应器对污水进行处理的设备。本实用新型在生物反应池内放入两组膜组件，并使其在控制阀门的控制下，以所述的时间周期相互交替充当分离器和曝气器，整个系统始终处于好氧状态，并且连续进水和连续出水。从膜组件内部进行间歇的空气反冲，可直接清除膜面泥饼层，有效地抑制膜污染的发展，膜通量可提高至相同运行条件下传统内置式膜－生物反应器的5到10倍，并能以较小的曝气量使混合液在导流装置的导流作用下，在反应池内循环流动。所用的膜组件具有良好的性能和较长的使用寿命，可使系统长期稳定运行。另外，该种方法流程紧凑、装置易于加工和拆卸、易于实现自动控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水和废水处理设备，尤其涉及一种利用膜-生物反应器对污水进行处理的装置，属于水和废水处理与净化技术领域。
背景技术
膜-生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是一种将膜分离技术与传统生物处理技术有机结合的新型高效污水处理与回用技术。在传统的生化水处理技术中，如活性污泥法，其泥水分离是在二沉池中靠重力作用完成的，其分离效率依赖于活性污泥的沉降特性，运行效果不稳定。同时由于二沉池固液分离的要求，曝气池的污泥不能维持较高浓度，一般在1.5～3.5g/L左右，从而限制了生化反应速率。水力停留时间(HRT)与污泥龄(SRT)相互依赖，提高容积负荷与降低污泥负荷往往形成矛盾。系统在运行过程中产生大量的剩余污泥，其处置费用占污水处理厂运行费用的25％～40％，而且易出现污泥膨胀，出水中含有悬浮固体，出水水质不理想。针对上述问题，膜-生物反应器将分离工程中的膜分离技术应用于废水处理系统，提高了泥水分离效率，并且由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌(特别是优势菌群)的出现，提高了生化反应速率。同时，通过降低F/M比，减少剩余污泥产生量(甚至为零)，从而基本解决了传统活性污泥法存在的突出问题。
与传统水处理设备相比，膜-生物反应器技术具有出水水质优良稳定、占地面积小、剩余污泥产量少等突出优点，而且膜-生物反应器装置结构紧凑，易于实现自动化控制，同时也可以方便地对传统城市二级污水处理厂进行改造，使其出厂水达到回用水的标准。
目前，膜-生物反应器在大型建筑和居民小区的中水回用、高浓度有机废水的处理、难降解有机废水的处理和微污染饮用水的净化等领域已均有应用。
根据膜组件的设置位置，膜-生物反应器可分为分置式膜-生物反应器和内置式(或浸入式、一体式)膜-生物反应器两大类。分置式膜-生物反应器是把膜组件和生物反应器分开设置。生物反应器中的混合液经循环泵增压后打至膜组件的过滤端，在压力作用下混合液中的液体透过膜，成为系统处理出水；固形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。分置式膜-生物反应器的特点是运行稳定可靠；易于膜的清洗、更换及增设；而且膜通量普遍较大。但一般条件下，为减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期，需要用循环泵提供较高的膜面错流流速，致使水流循环量增大、动力费用增高，吨水能耗为2～10kWh，并且泵的高速旋转产生的剪切力会使某些微生物菌体产生失活现象。
内置式膜-生物反应器是把膜组件置于生物反应器内部。原水进入膜-生物反应器后，其中的大部分污染物被混合液中的活性污泥分解，再在抽吸泵或水头差提供的很小的压差作用下由膜过滤出水。曝气系统设置在膜组件下方，一方面给微生物分解有机物提供了所必需的氧气，另一方面通过气泡的冲刷和在膜表面形成的循环流速对污染物在膜表面的沉积起到了积极的阻碍作用。这种形式的膜-生物反应器由于省去了混合液循环系统，并且靠抽吸出水，能耗相对较低，占地较分置式膜-生物反应器更为紧凑。近年来在水处理领域受到了特别关注，但仍存在以下不足和缺陷。
首先是膜通量较小。目前在内置式膜-生物反应器中应用较多的中空纤维膜组件，在活性污泥混合液条件下，其稳定运行的膜通量一般在10L/(m2·hr)左右，超过20L/(m2·hr)后，膜污染的发展速度将十分迅速，可导致系统产水能力的快速下降，甚至得不到过滤出水。由于膜通量的限制，内置式膜-生物反应器需要大量的膜材料，无论是由高分子材料制成的中空纤维膜、平板膜，还是由无机陶瓷材料制成的管状膜，其价格均较高，这使得膜-生物反应器的建设投资很大，一般为传统活性污泥法或接触氧化法的2～3倍。
其次是膜污染难于控制，缺乏维持长期稳定运行的可靠方法，膜材料的使用寿命较短。在活性污泥混合液条件下，作为大分子物质过滤屏障的膜，随着运行时间的延长，在其孔隙及表面所形成的膜孔堵塞、凝胶层以及泥饼层等，将增大膜的过滤阻力，即产生了膜污染。膜污染将使膜通量大幅度下降。目前尚无有效控制膜污染的可靠方法，这使得膜-生物反应器的长期稳定运行受到很大影响。当膜污染发展到一定程度，必须对膜进行在线或者离线的化学药剂清洗，以恢复膜通量，但经过多次化学药剂清洗之后，膜的实际使用寿命将大大降低。膜的更新则增加了折旧成本。
再次是运行能耗偏高。目前，为延缓膜污染的发生，一般都是采取水动力学的手段，在膜下面提供高强度的曝气量，造成膜面的剧烈紊动，同时将膜通量控制在较低的水平，这样虽然适当地延缓了膜污染，但使得内置式膜-生物反应器的运行能耗仍然偏高，其气水比一般为传统活性污泥法的4倍以上。
最后是膜材料本身也有很大的局限性。传统膜-生物反应器大多采用中空纤维膜组件，该类膜组件虽然具有比表面积大、装填密度高等优点，但缺点则是机械强度不好，膜丝易断裂，膜通量不高，这不但使得基建投资过大，而且在实际运行中可能由于膜丝的大量断裂而导致系统出水水质恶化。另外，该类膜组件在实际工程中安装和拆卸也较为复杂。无机陶瓷膜虽然具有机械强度好、耐腐蚀、耐高温等优点，但其比表面积和装填密度都很小，加之价格昂贵，因此应用较少。
虽然国内外已有几项应用膜-生物反应器进行污水处理的专利文献，如“抽吸内置式膜-生物反应器(专利号97228698.5)”，“穿流式膜生物反应器的水处理工艺及其设备(专利号99111514.7)”，但这些专利均未能解决膜-生物反应器大规模应用所面临的核心问题，即如何有效的控制膜污染，提高膜通量以及降低其运行能耗，从而维持其长期运行。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有内置式膜-生物反应器存在的不足和缺陷，提供一种分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置，该装置在维持较低的曝气量的情况下，能有效地控制膜污染，维持较高的膜通量，进一步降低其运行能耗，实现并维持其长期运行。
本实用新型的目的是提供如下技术方案实现的：一种分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置，该装置主要包括反应池，鼓风机，放置在反应池内的膜组件和导流装置，所述导流装置将反应器单元分为两个区域，其特征在于：在反应器单元内设有交替充当曝气和分离的两组膜组件，两组膜组件的出口通过两组控制阀门均于鼓风机的进气管路和出水管路连接。
本实用新型中所述的膜组件采用微孔烧结管、管状陶瓷膜、金属多孔管。所述的导流装置可以是板式或筒状结构。
为了增大该装置对水或污水的处理能力，本实用新型还可以采用多个相同反应器单元并联使用。
本实用新型提出的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理，其原理在于：对于任何一组的膜组件而言，当充当分离器时，随着过滤时间的延长，小分子物质将堵塞膜孔，膜表面也会逐渐形成分别由胶体和颗粒组成的凝胶层和泥饼层，尤其是泥饼层的形成，将使膜的过滤阻力迅速增大，膜通量将有显著的下降。在所述的过滤时间结束后，该部分膜组件开始充当曝气器，处于所述压强和所述流量状态下的压缩空气将透过膜的孔隙(在曝气初期，压缩空气将与残存在膜组件内部的水混合在一起，以溶气水的形式透过膜的孔隙)，可有效清除膜表面的泥饼层，同时对膜孔堵塞和膜面凝胶层也有一定的去除效果。在空气的反冲作用下，膜的过滤阻力得到大幅降低，膜通量得到恢复。两部分膜组件以所述的时间周期交替工作，使得整个系统可以在高膜通量、低曝气量的状态下连续稳定运行。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：一是有效地控制并利用了膜污染。膜法应用于水处理中最关键的问题之一就是膜污染。在分离曝气两用型膜-生物反应器中，不但通过间歇的空气反冲有效地抑制了膜污染的发生，而且利用膜污染中不可逆的部分作为自生动态膜提高了大孔径微孔材料的过滤精度。二是大幅度提高了膜通量。间歇的空气反冲有效地清除了膜面泥饼层，将膜的过滤阻力控制在较低的水平，从而使系统获得了较高的膜通量，通常可达到相同运行条件下传统内置式膜-生物反应器的5倍以上。三是显著降低了曝气量。在分离曝气两用型膜-生物反应器中，间歇的空气反冲直接清除膜面泥饼层，有效地抑制了膜污染的发生，因此不必像传统的内置式膜-生物反应器那样，以提供大大超过微生物代谢所需的曝气量造成膜面的剧烈紊动，使胶体或颗粒在剪切力的作用下不向膜表面沉积，而仅提供较小的曝气量(与传统活性污泥法相当)，既可以满足微生物的代谢要求，又使得反应器内污泥混合液能够循环流动。
附图说明
图1为本实用新型提供的分离曝气两用型膜-生物反应器单元结构、状态示意图，表示出反应器单元中当左边的一组膜组件充当曝气器时，右边的膜组件则充当分离器，且导流装置采用板式结构。
图2为图1中两组膜组件的工作状态切换后的结构、状态示意图。
图3为图1、图2的A-A剖视图。
图4为本实用新型采用三个图1结构的反应器单元并联布置的结构示意图。
图5为本实用新型提供的另一种实施例的结构、状态示意图，其导流装置采用筒状结构。
图6为图5中两组膜组件的工作状态切换后的结构、状态示意图。
图7为图5、图6的B-B剖视图。
图8为本实用新型采用三个图5结构的反应器单元并联布置的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型所提供的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置采用内置式膜生物反应器，主要由反应池1，导流装置2，分离曝气两用型膜组件3a、3b，鼓风机4，控制阀门V1、V4、V2、V3以及出水管5(与抽吸泵相连由抽吸得到出水，或直接通向清水池由水头差驱动出水)组成。所述的导流装置将反应器分为两个区，将所述的两组分离曝气两用型膜组件放置在所述导流装置的一侧或两侧。鼓风机4和出水管路5均与所述膜组件的出口相连，当一组膜组件充当曝气器时，另一组膜组件充当分离器，在出水泵的抽吸作用或者水头差的作用下形成膜过滤出水，两组膜组件以所述的时间交替进行曝气和分离，系统可实现连续出水。在任一时刻，整个系统均处于好氧环境，由鼓风机提供的压缩空气透过一组膜组件，以微气泡的形式向活性污泥混合液中高效供氧。曝气所造成的上升液流使混合液在导流装置的两侧分别形成升流区和降流区，并在反应器内循环流动；同时，活性污泥中的细菌等微生物被膜高效截留在反应池内，污泥浓度可维持在5～12g/L，在低污泥负荷的条件下，生化反应速率很高，可对污水中的有机污染物进行有效降解，水质得到净化，微生物自身则得到增殖。
对于任何一组膜组件而言，当作为分离器时，随着过滤时间的延长，小分子物质将堵塞膜孔，膜表面也会逐渐形成分别由胶体和颗粒组成的凝胶层和泥饼层，尤其是泥饼层的形成，将使膜的过滤阻力迅速增大，膜通量将有显著的下降。在所述的过滤时间结束后，该部分膜组件开始充当曝气器，处于所述压强和所述流量状态下的压缩空气将透过膜的孔隙(在曝气初期，压缩空气将与残存在膜组件内部的水混合在一起，以溶气水的形式透过膜的孔隙)，可有效地清除膜表面的泥饼层，同时对膜孔堵塞和膜面凝胶层也有一定的去除效果。在空气的反冲作用下，膜的过滤阻力得到大幅度降低，膜通量得到恢复。两部分膜组件以所述的时间周期交替工作，使得整个系统可以在高膜通量、低曝气量的状态下连续稳定运行。
下面结合附图及实施例详细加以说明，以进一步理解本实用新型。
实施例1
图1、图2、图3和图4表示导流装置采用板式结构的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置的结构。该装置主要由反应池1、导流板2、膜组件3a和3b、鼓风机4、出水管5、电磁阀V1、V2、V3和V4组成。其中，反应池1为空心长方体结构，其上侧面设有进水口，鼓风机4和出水管5均与两部分膜组件的出口相连。导流板2将装置内部分成左右两个区域，即M1和M2。出水管5可设置在膜组件的上方，此时须由出水泵抽吸获得出水；出水管5也可设置在膜组件下方，此时由水头差驱动获得出水。
原水由进水口流入反应池1内。活性污泥中的细菌等微生物被膜高效截留在反应池内，污泥浓度可维持在8g/L。原水中的有机污染物经微生物降解后，处理水在出水泵所提供的负压(或水头差)作用下，经由膜组件3a或3b过滤从出水管5流出。整个装置以T为时间周期循环运行。如图1所示，在前15分钟内，电磁阀(或电动阀)V1、V4开启，V2、V3关闭，膜组件3b与出水管5相通，充当分离器，膜通量可控制为50L/(m2·hr)。膜组件3a与鼓风机4相通，充当曝气器。由鼓风机4提供压强为0.3MPa的压缩空气，由膜组件3a向反应器内曝气，曝气强度可控制在40m3/(m2·hr)。该空气将反应池内的活性污泥混合液强制循环，在M1区，混合液由下至上形成上升流，而在M2区则形成由上至下的下降流，全部混合液则如箭头所示在反应池内的两区M1和M2间循环流动。如图2所示，在后15分钟内，电磁阀(或电动阀)V1、V4关闭，V2、V3开启，膜组件3a与出水管5相通，充当分离器，膜通量可控制为50L/(m2·hr)。膜组件3b与鼓风机4相通，充当曝气器。由鼓风机4提供压强为0.3MPa的压缩空气，由膜组件3b向反应器内曝气，曝气强度可控制在40m3/(m2·hr)。在M2区形成上升流，而在M1区则形成下降流。在任一运行时刻，整个系统均处于好氧状态，并且连续进水和连续出水。图4表示由上述多个相同单元所组成的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置，这样可有效提高该装置的污水处理能力。
实施例2
图5、图6、图7和图8表示的是导流装置采用筒状结构的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置的结构。此装置由反应池1、导流筒2、膜组件3a和3b、鼓风机4、出水管5、电磁阀V1、V2、V3和V4等组成。其中，反应池1为空心长方体结构，其上侧面设有进水口，鼓风机4和出水管5均与两部分膜组件的出口相连。导流筒2将反应池内部分成中心区和周边区两个区域，即M1和M2；将膜组件放置在中心区，出水管5可设置在膜组件的上方，此时须由出水泵抽吸获得出水；出水管也可设置在膜组件以下，此时由水头差驱动获得出水。
原水由进水口流入反应器1内。活性污泥中的细菌等微生物被膜高效截留在反应池内，污泥浓度可维持在5g/L。原水中的有机污染物经微生物降解后，处理水在出水泵所提供的负压(或水头差)作用下，经由膜组件3a或3b过滤从出水管5流出。整个装置以T为时间周期循环运行。如图5所示，在前T/2时间内，电磁阀(或电动阀)V1、V4开启，V2、V3关闭，膜组件3b与出水管5相通，充当分离器，膜通量可控制为80L/(m2·hr)。膜组件3a与鼓风机4相通，充当曝气器，由鼓风机4提供压强为0.3MPa的压缩空气，由膜组件3a向反应器内曝气，曝气强度可控制在30m3/(m2·hr)。该空气将反应池内的活性污泥混合液强制循环，在M1区，混合液由下至上形成上升流，而在M2区则形成由上至下的下降流，全部混合液则如箭头所示在反应池内的两区M1和M2间循环流动。如图6所示，在后T/2时间内，电磁阀(或电动阀)V1、V4关闭，V2、V3开启，膜组件3a与出水管5相通，充当分离器，膜通量可控制为80L/(m2·hr)。膜组件3b与鼓风机4相通，充当曝气器。由鼓风机4提供压强为0.3MPa的压缩空气，由膜组件3b向反应器内曝气，曝气强度可控制在30m3/(m2·hr)。由于两部分膜组件均设置在M1区内，因此在M1区仍形成上升流，而在M2区则仍为下降流。在任一运行时刻，整个系统均处于好氧状态，并且连续进水和连续出水。图8表示由上述多个相同单元并联布置的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置。
Claims (4)
1.一种分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置，该装置主要包括反应池，鼓风机，放置在反应池内的膜组件和导流装置，所述导流装置将反应器单元分为两个区域，其特征在于：在反应器单元内设有交替充当曝气器和分离器的两组膜组件，两组膜组件的出口均与进气管路和出水管路连接，在进气管路和出水管路上分别设置一组交替开启和关闭的控制阀门。
2.按照权利要求1所述的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置，其特征在于：所述的膜组件为微孔烧结管、管状陶瓷膜、金属多孔管。
3.按照权利要求1所述的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置，其特征在于：所述的导流装置采用板式或筒状结构。
4.按照权利要求1-3任一权利要求所述的分离曝气两用型膜-生物反应器污水处理装置，其特征在于：该装置可采用多个相同反应器单元并联使用。
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